JP2019009880A - 超音波モータ、ロボットアーム、およびメッシュロボット - Google Patents

超音波モータ、ロボットアーム、およびメッシュロボット Download PDF

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【課題】出力トルクと回転数などの特性を調整可能な超音波モータ、同超音波モータを搭載するロボットアーム、および同超音波モータを搭載するメッシュロボットを提供する。【解決手段】超音波モータ100は、第一シャフト31と、第二シャフトと、を有するロータシャフト3と、前記第一シャフト31の基端側の開口部である第一開口部と、前記第二シャフトの基端側の開口部である第二開口部とを、近づける方向に力を加える弾性部材と、ロータシャフトが貫通する貫通孔を有するステータ1と、超音波発生素子2と、を備え、前記第一開口部と前記第二開口部とを対向させて設けられており、前記ステータ1の内周面はテーパ加工されており、前記第一シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第一係合部を有し、前記第二シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第二係合部を有し、前記ステータ1の内周面と、第一係合部および第二係合部とが係合する。【選択図】図1

Description

本発明は、超音波モータ、同超音波モータを搭載するロボットアーム、および同超音波モータを搭載するメッシュロボットに関する。
超音波モータはコイルや磁石を用いず超音波振動を駆動源とするモータである。超音波モータの長所は、低速で高トルクが出せることや電源を切っても自己保持特性が保たれること、小型軽量、減速機不要、応答性が高いこと、磁界や電界の影響を受けないことなどである。また、超音波モータは、構造が比較的簡単であるとともに、コイルが無いことから小型化に適している。このため、ロボット関節やMRIなどの高磁場下で使用される医療機器などに向いている。
特許文献1には、直方体型の金属(ステータ)に貫通穴をあけ、円筒状のロータシャフトを通した構造の超音波モータが記載されている。ステータの表面には圧電素子が貼り付けられており、超音波モータは圧電素子により貫通穴の内面に振動波を発生させ、ロータシャフトを回転させる。
超音波モータは、貫通穴とロータシャフトとの間の押しつけ力により、出力トルクと回転数が決定される。例えば、貫通穴とロータシャフトとの間の押しつけ力が大きい場合、超音波モータは大きな出力トルクを得ることができる。貫通穴とロータシャフトとの間の押しつけ力を大きくするためには、貫通穴とロータシャフトとが隙間なく嵌合している必要がある。
特開2009−261494号公報
しかしながら、圧電素子により貫通穴の内面に発生させる振動波の振幅は最大でも数ミクロンメートルと小さい。一方、貫通穴とロータシャフトとが隙間なく嵌合するように、両者を数ミクロンメートルの精度で加工することは難しい。そのため、高い動作精度が要求されるロボット等に超音波モータを搭載する場合、出力トルクと回転数などの特性を所望の値に調整することが困難であった。特に、超音波モータが小型である場合に、この課題は顕著となる。
上記事情を踏まえ、本発明は、出力トルクと回転数などの特性を調整可能な超音波モータ、同超音波モータを搭載するロボットアーム、および同超音波モータを搭載するメッシュロボットを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の超音波モータは、円筒形状の第一シャフトと、円筒形状の第二シャフトと、を有するロータシャフトと、前記第一シャフトの基端側の開口部である第一開口部と、前記第二シャフトの基端側の開口部である第二開口部とを、近づける方向に力を加える弾性部材と、直方体状で、ロータシャフトが貫通する貫通孔を有するステータと、前記ステータの外側面に取り付けられた超音波発生素子と、を備え、前記第一シャフトと前記第二シャフトとは、前記第一開口部と前記第二開口部とを対向させて設けられており、前記ステータの内周面はテーパ加工されており、前記第一シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第一係合部を有し、前記第二シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第二係合部を有し、前記ステータの内周面と、第一係合部および第二係合部とが係合する。
本発明のロボットアームは、上記超音波モータを複数有し、前記超音波モータ同士を接続する接続部材と、を備えるロボットアームである。
本発明のメッシュロボットは、上記ロボットアームを複数有し、可撓性を有し、複数の前記ロボットアームが接続されたプレートと、を備える。
本発明の超音波モータによれば、出力トルクと回転数などの特性を所望の値に調整することができる。また、本発明のロボットアームおよびメッシュロボットによれば、超小型で出力トルクが大きい超音波モータを搭載し、動作特性を所望の値に調整することができる。
本発明の第一実施形態に係る超音波モータの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータの一部を取り除いた構成を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータの分解図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータの一部を取り除いた構成の分解図である。 本発明の第一実施形態に係る超音波モータを軸方向に垂直な方向から見た側面図である。 図5の断面図である。 本発明の第二実施形態に係る超音波モータを軸方向に垂直な方向から見た側面図である。 図7の断面図である。 本発明の第三実施形態に係るロボットアームの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第三実施形態に係るロボットアームの全体構成を図9と反対側から見た斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのロボットアームの全体構成を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのプレートの構成を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのプレートとロボットアームの接続を示す図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの最小構成を示す図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの使用例を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットの使用例を示す斜視図である。 本発明の第四実施形態に係るメッシュロボットのコンプライアンス制御の一例を示すグラフである。
(第一実施形態)
本発明の第一実施形態について、図1から図6を参照して説明する。なお、図面を見やすくするため、各構成要素の厚さや寸法の比率は適宜調整されている。
図1は、第一実施形態に係る超音波モータ100の全体構成を示す斜視図である。図2は、図1に示す超音波モータ100の一部を取り除いた構成を示す斜視図である。
超音波モータ100は、ステータ1と、圧電素子(超音波発生素子)2と、ロータシャフト3と、バネ固定部材4と、バネ(弾性部材)5と、を備える。
超音波モータ100は、ロータシャフト3が、ロータシャフト3の長手軸を中心に回転する回転モータとして動作する。以降の説明において、ロータシャフト3の軸方向を「軸方向A」と称し、ロータシャフト3の回転方向を「回転方向R」と称す。
ステータ1は、図1に示すように、直方体型に形成されており、対向する側面を貫通する貫通孔Hを有する。また、ステータ1の軸方向Aに垂直な断面の外周輪郭は四角形である。ロータシャフト3は貫通孔Hを通るように配置される。
ステータ1は、例えば2〜3mm角の直方体に形成されている。また、ステータ1の構成材料は、金属材料(鉄,ステンレス,アルミニウム,銅等)が一般であるが、必ずしも金属である必要はなく、プラスチックでもよい。
図3は、第一実施形態に係る超音波モータ100の分解図である。図4は、図3に示す超音波モータ100の一部を取り除いた構成を示す分解図である。
図3および図4に示すように、ステータ1の内周面10には、軸方向Aに沿って複数の溝Tが形成されている。複数の溝Tは、ステータ1の内周面10の周方向に沿って等間隔に配置されている。溝Tの形状は、互いに等しく、略円柱形状である。
図5は、第一実施形態に係る超音波モータ100を軸方向Aに垂直な方向から見た側面図である。図6は、図5の断面図である。
図5および図6が示すように、ステータ1の貫通孔Hは略円柱形状である。貫通孔Hの両端の開口部の径寸法が最も大きく、両端の開口部から軸方向Aの中心部に向かうに従って径寸法が小さくなるように、ステータ1の内周面10はテーパ形状に加工されている。図6が示すように、ステータ1の軸方向Aに水平な断面は、内周面10がくさび形に形成されている。テーパの角度は、軸方向Aに対して2度〜15度程度である。
ステータ1の内周面10は、図2に示すように、第一シャフト31と係合する第一内周面11と、第二シャフト32と係合する第二内周面12と、を有する。第一内周面11は、図2、図4、および図6に示すように、内周面10のうち、軸方向Aの中心部から一方の開口部に向かう部分である。一方、第二内周面12は、図2、図4、および図6に示すように、内周面10のうち、軸方向Aの中心部を挟んで第一内周面11の反対側に位置する部分であり、軸方向Aの中心部から他方の開口部に向かう部分である。
溝Tは、図4に示すように、テーパ形状に沿って垂直方向の深さが一定になるように形成されている。溝Tは、貫通孔Hの径寸法が最も小さくなる軸方向Aの中心部においても、それぞれが接触することなく、分離して形成されている。
圧電素子2は、セラミックス等の超音波を発生する素子である。図1に示すように、ステータ1の軸方向Aに水平な四つの外側面それぞれに圧電素子2が取り付けられている。圧電素子2には、超音波領域の交流電圧が入力される。四つの圧電素子2は、90度ずつ位相がずれた超音波を発生し、貫通孔Hの内面に回転方向Rの進行波を発生させる。
ロータシャフト3は、第一シャフト31と、第二シャフト32と、を有する。バネ固定部材4は、第一バネ固定部材41と、第二バネ固定部材42と、を有する。
第一シャフト31および第二シャフト32は、略円筒形状に形成されており、両端は開口している。第一シャフト31および第二シャフト32は、図3および図4が示すように、第一シャフト31の基端開口部(第一開口部)31aと第二シャフト32の基端開口部(第二開口部)32aとを対向させて、内部空間が連通するように設けられている。
なお、第一シャフト31の先端開口部31bおよび第二シャフト32の先端開口部32bは必ずしも必要ではなく、設けられなくてもよい。
第一バネ固定部材41は、第一シャフト31と係合する円柱形状の部材であり、後述するバネ5の一方の端部が取り付けられる部材である。すなわち、第一バネ固定部材41は、バネ5と第一シャフト31との接続を補助する補助部材である。第一バネ固定部材41は、第一シャフト31と係合可能で、かつ、バネ5の端部を取り付け可能な形状であれば、円柱形状以外の形状、例えば角柱形状やフック型形状等であってもよい。
第二バネ固定部材42は、第二シャフト32と係合する円柱形状の部材であり、後述するバネ5の他方の端部が取り付けられる部材である。すなわち、第二バネ固定部材42は、バネ5と第二シャフト32との接続を補助する補助部材である。第二バネ固定部材42は、第二シャフト32と係合可能で、かつ、バネ5の端部を取り付け可能な形状であれば、円柱形状以外の形状、例えば角柱形状等やフック型形状であってもよい。
バネ5は、図2および図6に示すように、第一シャフト31の内部空間と第二シャフト32の内部空間とを連通する内部空間に配置されている。一方の端部は第一バネ固定部材41に、他方の端部は第二バネ固定部材42に、取り付けられている。バネ5は、軸方向Aに沿って、第一シャフト31と第二シャフト32とを互いに近づける方向に弾性力を加える。
一対の第一係止孔31cは、第一シャフト31に設けられた孔であり、図1および図2が示すように、円柱形状の第一バネ固定部材41を係止する。図1から図6に示すように、一対の第一係止孔31cは、第一シャフト31の長手軸を挟んで対向する箇所に設けられている。一対の第一係止孔31cのそれぞれは、第一シャフト31の側面を貫通している。
一対の第一係止孔31cは、軸方向Aに沿って第一バネ固定部材41を係止する位置を変更するために、第一バネ固定部材が貫通可能な孔を複数有している。第一バネ固定部材が貫通する一対の第一係止孔31cの孔を変更することで、第一バネ固定部材41を係止する位置は変更される。第一バネ固定部材41を係止する位置を変更することで、第一シャフト31と第二シャフト32とを互いに近づけるバネ5の弾性力の大きさを変更することができる。
もちろん、バネ5自体を異なる弾性力を有するバネ5に変更することで、第一シャフト31と第二シャフト32とを互いに近づける弾性力の大きさを調整してもよい。
一対の第二係止孔32cは、第二シャフト32に設けられた孔であり、図1および図2が示すように、円柱形状の第二バネ固定部材42を係止する。図3および図4に示すように、一対の第二係止孔32cは、第二シャフト32の長手軸を挟んで対向する箇所に設けられている。一対の第二係止孔32cのそれぞれは、第二シャフト32の側面を貫通している。
第一シャフト31は、図3に示すように、基端側の外周に第一係合部31dを有している。図6に示すように、ステータ1の第一内周面11と、第一シャフトの第一係合部31dが、対向して配置される。
第一係合部31dは、図3および図6に示すように、基端開口部31aに向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工されている。第一係合部31dのテーパ形状は、対向して配置される第一内周面11のテーパ形状と係合するように形成されている。
第二シャフト32も、図3に示すように、基端側の外周に第二係合部32dを有している。図6に示すように、ステータ1の第二内周面12と、第二シャフトの第二係合部32dが、対向して配置される。
第二係合部32dは、図3および図6に示すように、基端開口部32aに向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工されている。第二係合部32dのテーパ形状は、対向して配置される第二内周面12のテーパ形状と係合するように形成されている。
第一係合部31dは、図3および図4に示すように、基端開口部31aの淵部に、軸方向Aに突出する第一凸部31eを有している。また、第二係合部32dも、基端開口部32aの淵部に、軸方向Aに突出する第二凸部32eを有している。
第一凸部31eと第二凸部32eとは、第一シャフト31および第二シャフト32が、軸方向Aを回転軸として回転した際、回転方向Rの両端部のうち少なくとも一方の端部が係合する。
第一シャフト31と第二シャフト32とが、ステータ1の内周面10と係合して配置されている際、第一シャフト31と第二シャフト32との間には、軸方向Aにわずかに隙間が生じるように、第一係合部31dおよび第二係合部32dの軸方向Aの長さは調整されている。そのため、バネ5の弾性力を調整することで、第一シャフト31および第二シャフト32の相対位置は、軸方向Aに沿って調整される。
第一バネ固定部材41を係止する一対の第一係止孔31cの孔を変更することで、バネ5の弾性力を調整し、ステータ1の第一内周面11と、第一シャフトの第一係合部31dとを、隙間なく係合させ、また、ステータ1の第二内周面12と、第二シャフトの第二係合部32dとを、隙間なく係合させることができる。
次に、超音波モータ100の動作を説明する。
圧電素子2に超音波領域の交流電圧が入力され、圧電素子2は超音波を発生する。四つの圧電素子2には90度ずつ位相がずれた超音波が発生するように交流電圧が入力される。その結果、貫通孔Hの内周面10に回転方向Rの進行波が発生する。
圧電素子2が貫通孔Hの内周面10に発生させた回転方向Rの進行波により、第一シャフト31および第二シャフト32は、第一凸部31eと第二凸部32eとが回転方向Rの両端部のうち少なくとも一方の端部で係合しながら回転する。第一シャフト31および第二シャフト32の一方に発生する回転運動を他方に伝達することで、第一シャフト31および第二シャフト32の回転速度を均等にすることができる。
また、ステータ1の軸方向Aに水平な断面は、内周面10がくさび形に形成されている。従来のような、内周面がくさび形状を有さないステータの場合、ロータシャフトに対して、軸方向Aと垂直な方向にしか振動を伝達することができなった。
一方、本実施形態のステータ1のように内周面10にテーパ形状が形成されている場合、軸方向Aと垂直な方向だけでなく、軸方向Aと水平な方向にも振動を伝達することができる。
従来、振動伝達効率を向上させる場合、軸方向Aと垂直な方向のみに対する振動伝達効率を改善するしか方法がなかった。本実施形態のステータ1では、軸方向Aと垂直な方向と合わせて、軸方向Aと水平な方向に対する振動伝達効率を改善することで、振動伝達効率全体を向上させることができる。
さらに、第一シャフト31および第二シャフト32には、バネ5によって、両者を互いに近づける方向に弾性力が加えられる。その弾性力を調整することで、ステータ1の第一内周面11と、第一シャフトの第一係合部31dとを、隙間なく接触させることができる。また、ステータ1の第二内周面12と、第二シャフトの第二係合部32dとを、隙間なく接触させることができる。その結果、圧電素子2が貫通孔Hの内周面10に発生させた回転方向Rの進行波を、第一シャフト31および第二シャフト32に、損失を少なく伝達させることができ、出力トルクを大きくすることができる。
ステータ1の内周面10には、溝Tが形成されている。超音波モータ100は進行波の発生に伴うステータ内周表面の楕円運動にロータシャフト3を接触させることで摩擦により駆動力を得る。内周面10の溝Tが形成されていることで、溝Tのエッジ部の楕円運動がステータ内面に引っかかるように接触することで確実な運動と力を伝達することができるため、楕円運動の周方向振幅が増大しロータシャフト3の回転速度特性が改善される。
(第一実施形態の効果)
本実施形態の超音波モータ100によれば、ステータ1の軸方向Aに水平な断面にくさび形状を設け、ロータシャフトに対する振動伝達効率を改善できる。また、ロータシャフト3を、第一シャフト31と第二シャフト32とから構成し、バネ5で結合することで、ステータ1の内周面10とロータシャフト3の係合部(31d、32d)とを隙間なく接触させることができる。また、その接触力をバネ5により調整することができる。
従来の超音波モータでは、ロータシャフトおよびステータを加工成形した後は、加工精度によって十分な振動伝達効率が得られない場合に、振動伝達効率を向上させるための調整手段がなかった。
本実施形態の超音波モータ100によれば、バネ5およびバネ固定部材4により、第一シャフト31と第二シャフト32とを互いに近づける力を調整し、振動伝達効率を調整することができる。
(変形例)
以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述の第一実施形態および以下で示す変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
例えば、圧電素子2は、ステータ1の二側面(隣接する二側面でもよいし対向する二側面でもよい)に取り付けることもできる。また、一側面または三側面に超音波発生素子
13を取り付けることもできる。また、それぞれの側面に複数の圧電素子を取り付けることもできる。貫通孔Hの内周面10に進行波を発生させる構成であれば、どのような構成態様であっても構わない。
(第二実施形態)
本発明の第二実施形態について、図7および図8を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
第二実施形態に係る超音波モータ100Bは、超音波モータ100と比較して、バネが、第一シャフト31の内部空間と第二シャフト32の内部空間とを連通する内部空間ではなく、外部空間に配置されている点が異なる。
図7は、超音波モータ100Bを軸方向Aに垂直な方向から見た側面図である。図8は、図7の断面図である。
超音波モータ100Bは、図7および図8が示すように、ステータ1と、圧電素子(超音波発生素子)2と、ロータシャフト3と、バネ固定部材4Bと、バネ(弾性部材)5Bと、を備える。
第二実施形態においては、第一シャフト31には先端開口部31b、第二シャフト32には先端開口部32bが設けられている。
バネ5Bは、図7および図8が示すように、皿ばね50と、一対の円盤状部材(51、52)と、を有する。
皿バネ50は、中心に貫通孔を有する円盤状の板を略円錐状に形成したものである。皿バネ50の貫通孔方向の両側には、中心に貫通孔を有する一対の円盤状部材(51、52)が、皿バネ50の一部と接触するように設けられている。具体的には、皿バネ50の円錐形状の上側部分が円盤状部材52と接触しており、バネ5Bの円錐形状の下側部分が円盤状部材51と接触している。
バネ5Bは、円盤状部材51と円盤状部材52とを近づける方向に荷重が加わると、円盤状部材51と円盤状部材52とを遠ざける方向に弾性力を加えるバネ効果を有する。
バネ5Bは、皿バネ50の貫通孔と、一対の円盤状部材(51、52)の貫通孔と、から構成される貫通孔を有している。皿バネ50の貫通孔と一対の円盤状部材(51、52)の貫通孔とは互いに中心軸が一致しており、その中心軸がバネ5Bの貫通孔の中心軸である。
バネ5Bは、バネ5Bの貫通孔の中心軸が、ロータシャフト3の長手軸と一致し、かつ、円盤状部材51が第一シャフト31の先端開口部31bを有する面に接触するように、配置される。また、バネ5Bは、バネ5Bの貫通孔が、第一シャフト31の内部空間と連通するように配置されている。
バネ固定部材4Bは、図7および図8が示すように、ナット(第一バネ固定部材)43と、ボルト(第二バネ固定部材)44と、を有する。
ナット(第一バネ固定部材)43は、内周面に雌ネジが設けられた貫通孔を有するナット部材である。
ナット43は、ナット43の貫通孔の中心軸が、バネ5Bの貫通孔の中心軸と一致するように、ナット43の貫通孔を有する面が円盤状部材52の貫通孔を有する面に接合されている。また、ナット43は、ナット43の貫通孔が、バネ5Bの貫通孔と連通するようにバネ5Bに接合されている。
ボルト(第二バネ固定部材)44は、外周面に雄ネジが設けられた円筒部44aと、頭部44bと、有するボルト部材である。円筒部44aは、外周面に設けられた雄ネジによりナット43と嵌合可能である。なお、円筒部44aの外周面の雄ネジは、ナット43と嵌合する部分に設けられていれば十分である。
ナット43が嵌合するボルト44の位置を変更することで、ナット43とボルト44との相対位置を調整することができる。
ボルト44の円筒部44aは、第一シャフト31の内部空間と、第二シャフト32の内部空間と、バネ5Bの貫通孔と、を貫通し、ナット43の内側面に設けられた雌ネジと嵌合している。ボルト44の長手軸は、ロータシャフト3の長手軸と一致している。
また、ボルト44の頭部44bは、第二シャフト32の先端開口部32bを有する面に接合されている。
ボルト44が貫通する第一シャフト31と、第二シャフト32と、バネ5Bとは、ボルト44の長手軸方向、すなわち軸方向Aに移動可能に支持される。また、第一シャフト31と、第二シャフト32と、バネ5Bとは、ボルト44の長手軸を中心として、回転方向Rに回動自在に支持される。
ナット43とボルト44との相対位置が固定され、ナット43とボルト44の頭部44bとの相対距離が固定される。
ボルト44が貫通する第一シャフト31と、第二シャフト32と、バネ5Bとは、ナット43とボルト44の頭部44bとに挟まれているため、軸方向Aへの移動範囲が制限される。
ここで、円盤状部材51と円盤状部材52とが近づくように、ナット43とボルト44との相対位置を調整し、バネ5Bに円盤状部材51と円盤状部材52とを遠ざける方向への弾性力を発生させる。
ナット43とボルト44との相対位置を調整することで、バネ5Bは第一シャフト31を第二シャフト32に近づける方向に弾性力を加えることができる。
すなわち、ナット43およびボルト44は、バネ5Bと第一シャフト31との接続を補助する補助部材である。
ナット43とボルト44との相対位置を調整することで、バネ5Bは、ナット43およびボルト44を経由して、第二シャフト32を第一シャフト31に近づける方向に弾性力を加えることができる。
すなわち、ナット43およびボルト44は、バネ5Bと第二シャフト32との接続を補助する補助部材である。
バネ5Bは、ナット43とボルト44との相対位置を調整することで、軸方向Aに沿って、第一シャフト31と第二シャフト32とを互いに近づける方向に弾性力を加える。具体的には、バネ5Bは、第一シャフト31の基端側の開口部である基端開口部(第一開口部)31aと、第二シャフト32の基端側の開口部である基端開口部(第二開口部)32aとを、近づける方向に弾性力を加える。
第一シャフト31と第二シャフト32とが、ステータ1の内周面10と係合して配置されている際、第一シャフト31と第二シャフト32との間には、軸方向Aにわずかに隙間が生じるように、第一係合部31dおよび第二係合部32dの軸方向Aの長さは調整されている。そのため、ナット43とボルト44との相対位置を調整することで、第一シャフト31および第二シャフト32の相対位置は、軸方向Aに沿って調整される。
ボルト44の円筒部44aの先端には、図7および図8に示すように、円筒状の回転伝達部材9が取り付けられている。回転伝達部材9の長手軸が回転軸となり、回転伝達部材9の長手軸は、ボルト44の長手軸と一致している。
次に、超音波モータ100Bの動作を説明する。
圧電素子2に超音波領域の交流電圧が入力され、圧電素子2は超音波を発生する。四つの圧電素子2には90度ずつ位相がずれた超音波が発生するように交流電圧が入力される。その結果、貫通孔Hの内周面10に回転方向Rの進行波が発生する。
圧電素子2が貫通孔Hの内周面10に発生させた回転方向Rの進行波により、第一シャフト31および第二シャフト32は、第一凸部31eと第二凸部32eとが回転方向Rの両端部のうち少なくとも一方の端部で係合しながら回転する。第一シャフト31および第二シャフト32の一方に発生する回転運動を他方に伝達することで、第一シャフト31および第二シャフト32の回転速度を均等にすることができる。
ナット43とボルト44とは、バネ5Bおよびロータシャフト3を挟み込んでおり、バネ5Bはバネの弾性力が働くように、ナット43とボルト44との間の距離が調整されている。そのため、バネ5Bと第一シャフト31、および頭部44bと第二シャフト32は密接している。そのため、ロータシャフト3が回転方向Rに回転することで、ナット43とボルト44とバネ5Bとは、ロータシャフト3の回転と合わせて回転方向Rに回転する。ボルト44の回転に合わせて、回転伝達部材9も回転方向Rに回転する。
また、ステータ1の軸方向Aに水平な断面は、第一実施形態と同様に、内周面10がくさび形に形成されている。ステータ1の内周面10にテーパ形状が形成されている場合、軸方向Aと垂直な方向だけでなく、軸方向Aと水平な方向にも振動を伝達することができる。本実施形態のステータ1では、軸方向Aと垂直な方向と合わせて、軸方向Aと水平な方向に対する振動伝達効率を改善することで、振動伝達効率全体を向上させることができる。
さらに、第一シャフト31および第二シャフト32には、バネ5Bによって、両者を互いに近づける方向に弾性力が加えられる。その弾性力を調整することで、ステータ1の第一内周面11と、第一シャフトの第一係合部31dとを、隙間なく接触させることができる。また、ステータ1の第二内周面12と、第二シャフトの第二係合部32dとを、隙間なく接触させることができる。その結果、圧電素子2が貫通孔Hの内周面10に発生させた回転方向Rの進行波を、第一シャフト31および第二シャフト32に、損失を少なく伝達させることができ、出力トルクを大きくすることができる。
(第二実施形態の効果)
本実施形態の超音波モータ100Bによれば、第一実施形態の超音波モータ100と同様、ステータ1の軸方向Aに水平な断面にくさび形状を設け、ロータシャフトに対する振動伝達効率を改善できる。また、ロータシャフト3を、第一シャフト31と第二シャフト32とから構成し、バネ5Bで両者を近付けることで、ステータ1の内周面10とロータシャフト3の係合部(31d、32d)とを隙間なく接触させることができる。また、その接触力をバネ5Bにより調整することができる。
本実施形態の超音波モータ100Bによれば、第一シャフト31と第二シャフト32とを近付けるバネ5Bを、第一シャフト31と第二シャフト32の内部空間ではなく外部空間に配置することができ、超音波モータ100Bを超音波モータ100と比較して、容易に構成することができる。特に、超音波モータ100Bが小型である場合に、この効果は顕著となる。
本実施形態の超音波モータ100Bによれば、第一実施形態の超音波モータ100と比較して、ナット43とボルト44との相対位置を変更することで、バネ5Bの弾性力をより細かな間隔で変更することができる。ステータ1の内周面10とロータシャフト3の係合部(31d、32d)とを隙間をより細かい粒度で調整することができる。
(第三実施形態)
本発明の第三実施形態について、図9および図10を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図9は、第三実施形態に係るロボットアーム200の全体構成を示す斜視図である。また、図10は、図9と反対側から見たロボットアーム200の全体構成を示す斜視図である。
ロボットアーム200は、6個の超音波モータ100で構成される超小型6自由度ロボットアームである。一自由度の超音波モータ100を6個並べ、隣り合う超音波モータ100を接続部材7で接続することで、ロボットアーム200は構成される。
6個の超音波モータ100によるロボットアーム200の構成態様は、公知の6自由度ロボットアームの構成態様を適宜採用すればよい。ロボットアーム200の姿勢や位置から、隣り合う超音波モータ100がなす角度を、逆運動学により算出できるように、ロボットアーム200を構成する。
なお、ロボットアーム200は6自由度のロボットアームに限定されない。ロボットアーム200は、6自由度以外の多自由度ロボットアームでもよい。
接続部材7は、金属材料(鉄,ステンレス,アルミニウム,銅等)が一般であるが、必ずしも金属である必要はなく、プラスチックでもよい。接続部材7は、ステータ1の振動を阻害しないように、隣り合う超音波モータ100を接続している。
ロボットアーム200は、例えば、全長約18mmであり、可搬重量は約0.1kgである。
(第三実施形態の効果)
本実施形態のロボットアーム200によれば、超小型で出力トルクが大きい超音波モータ100を接続して組み合わせることで、6自由度の超小型のロボットアーム200を実現することができる。ロボットアーム200は、低速で高トルクが出せることや電源を切っても自己保持特性が保たれること、小型軽量、減速機不要、応答性が高いこと、磁界や電界の影響を受けない等のメリットを有し、ロボット関節や医療機器などに好適に使用することができる。
以上、本発明の第三実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述の第三実施形態および変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
(第四実施形態)
本発明の第四実施形態について、図11から図18を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図11は、第四実施形態に係るメッシュロボット300の全体構成を示す斜視図である。
メッシュロボット300は、円板形状のプレート8と、隣り合うプレート8を接続するロボットアーム200Bと、を備える。
図12は、ロボットアーム200Bの全体構成を示す斜視図である。
ロボットアーム200Bは、第二実施形態のロボットアーム200と比較して、第一シャフトの構成が異なっている。ロボットアーム200Bの第一シャフト31Bには、先端開口部32bは設けられていない。また、先端は軸方向Aから見て半円形状の切り欠き31eが形成されている。
図13は、プレート8のプレート裏面8bを構成を示す斜視図である。
プレート8は、円板形状であり、四個の分割プレート80から構成されている。分割プレート80は、図13が示すように、円板形状を中心角90度ごとに4分割した形状となっている。隣り合う分割プレート80同士は、接辺を中心軸として回転可能に接続されており、その接続部は隣り合う分割プレート80の法線が平行になるようにバネ等により付勢されている。そのため、プレート8は、板バネのような可撓性を有する。プレート8は可撓性を有することで、ロボットアーム200Bの姿勢や位置の制御誤差を吸収できる。
図13に示すように分割プレート80それぞれに、凹部81が形成されている。プレート8の周方向を等分割する位置に、凹部81が形成されている。凹部81の底部には、図14に示すように、半円形状の切り欠き81eが形成されている。
図14に示すように、凹部81は、ロボットアーム200Bの先端の第一シャフト31Bと係合する。第一シャフト31Bの切り欠き31eと、凹部81の切り欠き81eと、を係合させることで、ロボットアーム200Bの傾きおよび上下変位を確実にプレート8に伝達することができる。
図15は、二個のプレート8と、一個のロボットアーム200Bとを接続したメッシュロボット300の最小構成を示す図である。図15に示すように、ロボットアーム200Bを操作することで、二個のプレート8の傾きおよび上下変位を変更することができる。
メッシュロボット300は、図11に示すように、25個のプレート8を格子状に並べ、隣り合うプレート8をロボットアーム200Bで接続して構成される。メッシュロボット300の寸法は、例えば一辺が40mm〜64mmである。
図16および図17は、メッシュロボット300の使用例を示す斜視図である。なお、図16および図17において、メッシュロボット300のロボットアーム200Bの図示は省略されている。
メッシュロボット300は、図16および図17が示すように、プレート8の傾きおよび変位を、ロボットアーム200により変更することで、複数のプレート8の表面8aが作り出す面を様々な3次元形状に変形させることができる。
次に、メッシュロボット300の動作を説明する。
メッシュロボット300を制御する不図示のコントローラは、各プレート8の傾きおよび変位を求め、その傾きおよび変位から各ロボットアーム200Bの姿勢や位置を求める。ロボットアーム200Bの姿勢や位置から、隣り合う超音波モータ100がなす角度を、逆運動学から算出する。隣り合う超音波モータ100がなす角度が算出した角度となるように、各超音波モータ100のロータシャフト3を回転させる。
メッシュロボット300は、超小型で出力トルクが大きい超音波モータ100を搭載しているため、次に示すような、複数のプレート8の表面8aが作り出す面の硬軟を触れた者に感じさせるコンプライアンス制御も可能である。
図18は、メッシュロボット300のコンプライアンス制御の一例を示すグラフである。グラフ横軸は、プレート8に力が加えられた場合におけるプレート8の変位である。グラフ縦軸は、上記の力が加えられた場合のロボットアーム200Bがプレート8に加える反力の大きさを示している。
コントローラは、変位が所定のXmmとなるまでは、反力が変位と比例して大きくなるように制御する。コントローラは、変位が所定のXmmを超えると、反力が一定となるように制御する。
このように制御することで、プレート8に力が加えられた場合、初めは変位に比例して反力が大きくなるため、プレート8に触れた者は硬い面と感じる。変位が所定のXmmを超えると、反力が一定となるため、プレート8に触れた者は軟らかい面と感じる。
(第四実施形態の効果)
本実施形態のメッシュロボット300によれば、超小型で出力トルクが大きい超音波モータ100を搭載したロボットアーム200により、複数のプレート8を任意の位置・姿勢に変形できる超小型のメッシュ状の面を実現することができる。
本実施形態のメッシュロボット300によれば、低速で高トルクで、応答性が高い超音波モータ100を搭載したロボットアーム200をコンプライアンス制御することで、複数のプレート8の表面8aが作り出す面の硬軟を制御することができる。コンプライアンス制御を用いることで、メッシュロボット300は、任意の形状を再現でき、さらにその表面の硬軟も再現可能な形状提示装置として使用することができる。
(変形例)
以上、本発明の第四実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。また、上述の第四実施形態および以下で示す変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
例えば、上記実施形態では、プレート8は、4つの分割プレート80から構成されていたが、プレートの構成はこれに限定されない。例えば、プレートは1枚の可撓性を有する円板部材で構成されていてもよい。プレートが可撓性を有してロボットアーム200Bの姿勢や位置の制御誤差を吸収可能であれば、プレートはどのような構成態様であってもよい。
また、上記実施形態では、メッシュロボット300は、25個のプレート8を格子状に並べて構成されていたが、メッシュロボットの構成はこれに限定されない。例えば、複数のプレート8を円形状に並べた形状に構成されていてもよいし、円環状に並べた形状に構成されていてもよい。複数のプレート8がどのように配置されていても、隣り合うプレート8同士をロボットアーム200Bで接続することで、メッシュロボット300を構成することができる。
本発明は、超音波モータ、ロボットアーム、およびメッシュロボットに適用することができる。
1 ステータ
10 内周面
11 第一内周面
12 第二内周面
2 圧電素子(超音波発生素子)
3 ロータシャフト
31,31B 第一シャフト
31a 基端開口部(第一開口部)
31b 先端開口部
31c 第一係止孔
31d 第一係合部
31e 第一凸部
32 第二シャフト
32a 基端開口部(第二開口部)
32b 先端開口部
32c 第二係止孔
32d 第二係合部
32e 第二凸部
4,4B バネ固定部材
41 第一バネ固定部材
42 第二バネ固定部材
5,5B バネ(弾性部材)
7 接続部材
8 プレート
8a プレート表面
8b プレート裏面
80 分割プレート
81 凹部
100,100B 超音波モータ
200,200B ロボットアーム
300 メッシュロボット

Claims (9)

  1. 円筒形状の第一シャフトと、円筒形状の第二シャフトと、を有するロータシャフトと、
    前記第一シャフトの基端側の開口部である第一開口部と、前記第二シャフトの基端側の開口部である第二開口部と、を近づける方向に力を加える弾性部材と、
    直方体状で、前記ロータシャフトが貫通する貫通孔を有するステータと、
    前記ステータの外側面に取り付けられた超音波発生素子と、
    を備え、
    前記第一シャフトと前記第二シャフトとは、前記第一開口部と前記第二開口部とを対向させて設けられており、
    前記ステータの内周面はテーパ加工されており、
    前記第一シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第一係合部を有し、
    前記第二シャフトは基端側の外周にテーパ形状に加工された第二係合部を有し、
    前記ステータの内周面と、第一係合部および第二係合部とが係合する、
    超音波モータ。
  2. 前記第一係合部は、前記第一開口部に向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工され、
    前記第二係合部は、前記第二開口部に向かうに従って径寸法が小さくなるようにテーパ形状に加工された、
    請求項1に記載の超音波モータ。
  3. 前記第一シャフトは、前記第一開口部に、長手軸方向に突出する第一凸部を有し、
    前記第二シャフトは、前記第二開口部に、長手軸方向に突出する第二凸部を有し、
    前記第一シャフトおよび前記第二シャフトが長手軸方向を回転軸として回転した際、回転方向の両端部のうち少なくとも一方の端部が係合する、
    請求項1または請求項2に記載の超音波モータ。
  4. 前記ステータの内周面には、長手軸方向に沿って複数の溝が形成されている、
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の超音波モータ。
  5. 前記弾性部材の一方の端部が取り付けられ、前記第一シャフトに係止される第一バネ固定部材と、
    前記弾性部材の他方の端部が取り付けられ、前記第二シャフトに係止される第二バネ固定部材と、をさらに有し、
    前記第一バネ固定部材は、前記第一シャフトの複数の位置のうち、いずれか一か所で係止される、
    請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の超音波モータ。
  6. 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の超音波モータを複数有し、
    前記超音波モータどうしを接続する接続部材と、を備えるロボットアーム。
  7. 請求項6に記載のロボットアームを複数有し、
    可撓性を有し、複数の前記ロボットアームが接続されたプレートと、
    を備えるメッシュロボット。
  8. 前記プレートは、四つの分割プレートから構成され、
    四つの分割プレートのそれぞれに、一つの前記ロボットアームが接続される、
    請求項7に記載のメッシュロボット。
  9. 前記プレートが外力による変位が所定の値になるまで、前記外力に比例して反力を生成し、
    前記変位が前記所定の値を超えたとき、前記反力は一定となる、
    請求項7または請求項8に記載のメッシュロボット。
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